Grundlagen des Explosionsschutzes

Transkript

1 Binningen/Basel, den 9. Sept Grundlagen des Explosionsschutzes (Sicherheitstechnische Kenngrössen von Brennstoffen) Scriptum zum Seminar Explosionsschutz in der chemischen Industrie Haus Maikammer, Zentrum für Arbeitssicherheit der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und Chemische Industrie, D Maikammer

2 INHALTSVERZEICHNIS Sicherheitstechnische Kenngrössen Inhaltsverzeichnis Einleitung Abgelagerter Staub Brennverhalten Glimmtemperatur GT Relative Selbstentzündungstemperatur, RSET Selbstentzündungstemperatur, SET (Warmlagerversuche im Drahtkorb) Relative Zersetzungstemperatur, RZT Zersetzungstemperatur, ZT (Wärmestauversuche im Dewar-Gefäss) Spontane Zersetzungsfähigkeit, SZF Schlagempfindlichkeit Reibempfindlichkeit Aufgewirbelter Staub Maximaler Explosionsüberdruck p max und maximaler zeitlicher Druckanstieg (dp/dt) max, Explosionsgrenzen EG Mindestzündenergie, MZE Mindestzündtemperatur, MZT Sauerstoff-Grenzkonzentration, SGK Hybride Gemische Normspaltweite MESG Brennbare Flüssigkeiten und Gase Flammpunkt, FP für Flüssigkeiten Brennbare Flüssigkeiten Explosionsgruppe Explosionsgrenzen EG Elektrostatik Oberflächenwiderstand R o...30 Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 2

3 5.2 Elektrische Leitfähigkeit Durchgangswiderstand R D Erdableitwiderstand Einflussnehmende Parameter Abgelagerter Staub Brennverhalten Selbstentzündungstemperatur Aufgewirbelter Staub Staubverteilung, Medianwert Produktfeuchte (Wasserfeuchte) Temperatur Initialdruck Turbulenz Prüfpflicht Literaturhinweise...43 Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 3

4 1 EINLEITUNG Da Brand- und Explosionsgefahren, die durch brennbare Stäube entstehen können, weniger bekannt sind als diejenigen, die beim Umgang mit brennbaren Gasen und Flüssigkeiten bestehen, werden mehrheitlich im folgenden die wichtigsten sicherheitstechnischen Kenngrössen von brennbaren Stäuben beschrieben, wobei zwischen dem abgelagerten und dem aufgewirbelten Staub unterschieden wird. Die Untersuchung der Substanzen erfolgt an einer eindeutig definierten Probe nach einer auf die jeweiligen Prüfmethoden zugeschnittenen Vorbereitung. Diese umfasst in der Regel produktschonende Trocknung (z.b. 50 C im Vakuum oder 75 C bei Normaldruck) und die Herstellung einer definierten Kornfraktion von < 250 µm für den abgelagerten Staub bzw. < 63 µm für aufgewirbelten Staub [1,2]. Die Prüfungen erfolgen unter atmosphärischen Ausgangsbedingungen. 2 ABGELAGERTER STAUB 2.1 Brennverhalten Es wird geprüft, ob und in welchem Masse sich eine ca. 2 cm breite und 4 cm lange Staubschüttung ein durch äussere Entzündung eingeleiteter Brand ausbreiten kann (Bild 2-1, links). Die Prüfung erfolgt bei Raumtemperatur (20 C) und erhöhter Produkttemperatur (z.b. 100 C). Die Brennbarkeit des Produktes wird aufgrund des Reaktionsverlaufes durch eine Brennzahl BZ charakterisiert [2]. Dabei wird im wesentlichen unterschieden, ob es sich bei der Reaktion um keine Ausbreitung eines Brandes (BZ: 1-3) oder um eine Ausbreitung eines Brandes (BZ: 4-6) handelt (Tabelle 1). Tabelle 1: Brennprüfung: Zuordnung von Brennzahl BZ zum Prüfergebnis [1,2] Prüfergebnis BZ Beispiel Kein Entzünden, Anbrennen Keine Aus- 1 Kochsalz Kurzes Entzünden und rasches Erlöschen breitung 2 Weinsäure Örtliches Brennen oder Glimmen mit höchstens geringer eines Brandes 3 D + Laktose Ausbreitung Durchglühen ohne Funkenwurf (Glimmbrand) oder langsame 4 H - Säure flammenlose Zersetzung Abbrennen unter Flammenerscheinung oder Funkensprühen Ausbreitung 5 Schwefel eines Sehr rasches Durchbrennen unter Flammenerscheinung oder rasche, flammenlose Zersetzung Brandes 6 Schwarzpulver Produkte mit einer BZ = 6 können nach erfolgter Zündung nicht mehr unter Kontrolle gehalten werden (Referenzsubstanz = Schwarzpulver). Werden Produkte mit BZ = 4 Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 4

5 und 5 verarbeitet, wird empfohlen, in die Apparatur eine vom Produktstrom unabhängige Wassersprühflutanlage einzubauen. Wird die 4 cm lange Staubschüttung auf 25 cm verlängert, so kann die Abbrandzeit gemessen werden (Bild 1, rechts). Wenn die Abbrandzeit kleiner als 45 s ist, so gilt der Stoff nach der Gefahrstoffverordnung und der EG-Richtlinie [3] als «leicht entzündlicher Stoff» und ist nach den Testkriterien der Vereinten Nationen (UN-Empfehlung) in die Klasse 4.1 einzustufen. Mit einer Variante des Tests wird gleichzeitig die Verpackungsgruppe festgelegt: Verpackungsgruppe II wird dann festgelegt, wenn die Abbrandzeit kürzer als 45 s ist und die Flamme eine befeuchtete Zone am Ende der Messstrecke durchläuft. Verpackungsgruppe III wird zugeordnet, wenn die Abbrandzeit kürzer als 45 s ist und die befeuchtete Zone die Flamme zum Stoppen bringt. Bild 1. Prüfapparatur zur Bestimmung des Brennverhaltens (links) und der Abbrandgeschwindigkeit (rechts) [1,2] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 5

6 2.2 Glimmtemperatur GT Durch die Glimmtemperatur, GT werden die Zündgefahren flacher Staubschichten auf heissen Oberflächen beschrieben. Sie ist als die niedrigste Temperatur einer erhitzten, freiliegenden Oberfläche definiert, auf der eine 5 mm dicke Staubschicht zur Entzündung gebracht wird. Bei dickeren Staubschichten tritt die Entzündung bereits bei niedrigeren Temperaturen ein. Bei schmelzenden oder sich zersetzenden Produkten kann die GT häufig nicht festgestellt werden. Als Prüfapparatur dient eine elektrisch beheizte Metallplatte, mit Temperaturregelung und Registriervorrichtung für die Platten- und Probentemperatur (Bild 2-2). Mit Hilfe eines Ringes wird eine Staubschicht bekannter Korngrösse und bekannter Schüttdichte von 100 mm und 5 mm Dicke auf die Heizplatte aufgebracht. Es wird festgestellt, bei welcher niedrigsten, konstanten Plattentemperatur die aufgelegte Probe zum Glimmen, Glühen oder Brennen kommt. Dabei wird ein mit dem Staubschichtthermoelement gemessener Temperaturanstieg von 20 C oder darüber einer Entzündung gleichgesetzt. Beispielsweise darf an Flächen, auf denen eine gefährliche Ablagerung glimmfähigen Staubes nicht wirksam verhindert werden kann, die Oberflächentemperatur die um 75 C verminderte GT des jeweiligen Staubes nicht überschreiten. Bild 2. Apparatur zur Bestimmung der Glimmtemperatur [1,2] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 6

7 2.3 Relative Selbstentzündungstemperatur, RSET Hierunter versteht man die niedrigste Temperatur, bei welcher während eines Aufheizvorganges im Luftstrom die Temperatur der Prüfsubstanz die Temperatur einer im gleichen Luftstrom erhitzten inerten Referenzsubstanz zu übersteigen beginnt. Steigt die Temperatur der Probe auf 400 C oder darüber, spricht man von Selbstentzündung, andernfalls von Selbsterhitzung [2]. Die Bestimmung erfolgt im Grewer-Ofen (Bild 2-3), bei dem etwa 8 ml der Prüfsubstanz und eine gleiche Menge Graphitpulver als Referenz in feinmaschigen Drahtkörbchen im Warmluftstrom von 2 l min -1 mit 1 K min -1 bis auf 350 C aufgeheizt werden. Die so ermittelte Temperatur ist messverfahrensspezifisch. Bild 3. Grewer-Ofen zur Bestimmung des Selbstentzündungstemperatur [1,2] Die Prüfung nach Grewer entspricht einer der Prüfungen nach der EG-Richtlinie [3] und wird im Rahmen der Anmeldung eines neuen Stoffes nach dem Chemikaliengesetz angewandt. Für Produkte, die kurzzeitig einem erhitzten Luftstrom ausgesetzt werden (z.b. Zerstäubungs- oder Stromtrockner), genügt es unter bestimmen Bedingungen oft, wenn für die Betriebstemperatur von der relativen Selbstentzündungstemperatur ein Sicherheitsab- Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 7

8 stand von mindestens 50 C gewählt wird. Die gemessene RST ist nicht nur produktabhängig, sondern wird auch vom Volumen der Staubschüttung beeinflusst. Daher sollten, bei niedrigen relativen Selbstentzündungstemperaturen (z.b. RSET < 220 C) Versuche mit grösseren Prüfvolumen (Warmlagerversuche) bei noch tieferen Temperaturen durchgeführt werden. 2.4 Selbstentzündungstemperatur, SET (Warmlagerversuche im Drahtkorb) Die durch Warmlagerversuche ermittelte Selbstentzündungstemperatur ist die niedrigste Umgebungstemperatur, bei der eine Substanz während mindestens 72 h nach Erreichen der Umgebungstemperatur, bei der es gerade nicht mehr zu einer Exothermie ( T < 5 C) kommt. Sie wird zur genauen Beurteilung der Gefahren beim Umgang mit grösseren Produktmengen herangezogen. Dabei werden die zu untersuchenden Proben in zylindrische Drahtnetzbehälter gefüllt und in einem luftdurchströmten Heizschrank bei konstanter Heisslufttemperatur gelagert (Bild 4). Gewöhnlich werden Drahtkörbe von ml Inhalt verwendet [2,4]. Bild 4. Prüfapparatur zur Bestimmung des Selbstentzündungsapparatur SET (Warmlagerversuche im Drahtkorb) [1,2] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 8

9 Bei der Lagerung brennbarer Stäube muss die Mengenabhängigkeit der Selbstentzündungstemperatur beachtet werden, die aus Versuchen mit unterschiedlich grossen Mengen durch Extrapolation abgeschätzt werden kann. Nach UN-Empfehlungen sind Stoffe in die Transportklasse 4.2 einzustufen [5], wenn der Stoff in einem 1000 ml Drahtkorb bei Umgebungstemperaturen von weniger als 140 C innerhalb von 24 h eine Temperatur von 400 C (Japan 200 C) erreicht bzw. überschreitet. 2.5 Relative Zersetzungstemperatur, RZT Sie ist definiert als die niedrigste Temperatur, bei welcher während eines Aufheizvorganges unter Luftausschluss die Temperatur der Prüfsubstanz die Temperatur einer gleichzeitig erhitzten thermisch stabilen Vergleichssubstanz zu übersteigen beginnt. Neben der Differenzthermoanalyse (DTA) hat sich als Messmethode diejenige nach Lütolf [2] bestens bewährt, weil neben der relativen Zersetzungstemperatur auch noch beurteilt werden kann, ob die bei der Exothermie auftretenden Gase brennbar sind und wieviel davon entsteht (Bild 5). Sie wird für Produkte oder Reaktionsmassen angewendet, die zum Teil unter Ausschluss von Frischluftzufuhr längere Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden (z. B. Vakuumöfen, Wirbelschichttrocknern). Bild 5. Lütolf Apparatur zur Bestimmung der relativen Zersetzungstemperatur [1,2] Die Probe von ca. 2 g und eine Referenzprobe (Graphit) werden kontinuierlich mit ca. 2.5 K min -1 bis 350 C aufgeheizt. Wird eine exotherme Reaktion gefunden, wird eine frische Probe noch unter konstanter Ofentemperatur geprüft. Die Prüfung wird mit jeweils Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 9

10 frischer Substanz in absteigenden Temperaturintervallen von 10 K so lange wiederholt, bis die Substanz während mindestens 8h keine Exothermie mehr zeigt. Als relative Zersetzungstemperatur nach Lütolf wird die Temperatur angegeben, bei der im Versuch bei konstanter Ofentemperatur in 8 h gerade keine Temperaturerhöhung über der Referenzprobe mehr festgestellt wird. Die Ergebnisse der Untersuchungen nach Lütolf können auch zur Beurteilung der Folgen von Zersetzungsreaktionen in Anlagen nützlich sein, da durch sie die mögliche Bildung von sehr zündwilligen und sehr heftig reagierenden hybriden Gemischen beurteilt werden kann. Von der bestimmten relativen Zersetzungstemperatur wird aus Sicherheitsgründen mindestens 50 C subtrahiert und diese Temperatur als maximal zulässige Heizmedium- Temperatur angegeben. Für eine genauere Festlegung der zulässigen Temperaturbeanspruchung, sind Wärmestauversuche im Dewargefäss bei noch tieferen Temperaturen durchzuführen, wenn die gemessene relative Zersetzungstemperatur kleiner 200 C ist. 2.6 Zersetzungstemperatur, ZT (Wärmestauversuche im Dewar-Gefäss) Die zu prüfende Substanz wird in einem Dewar-Gefäss (Wärmestauversuche) zusammen mit einer Referenzsubstanz in einem Wärmeschrank bei konstanter Umgebungstemperatur gelagert (Bild 6) Bild 6. Prüfapparatur zur Bestimmung des Zersetzungstemperatur ZT (Warmlagerversuche im Dewar-Gefäss) [1,2] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 10

11 Gewöhnlich werden Dewar-Gefässe von ml Inhalt verwendet [2]. Eine Selbsterwärmung des Produktes zeigt sich dadurch, dass die Temperatur der Prüfsubstanz über derjenigen der Referenzsubstanz ansteigt. Die Prüfung wird mit frischen Proben so lange bei jeweils 10 K tieferer Temperatur wiederholt, bis während mindestens 72 h keine Exothermie ( T < 5 C) mehr festgestellt wird. Da die ermittelte Induktionszeit (Zeit vom erreichen der Ofentemperatur durch die Probe bis zum Maximum der Probentemperatur) der Zersetzung im allgemeinen linear abhängig von der reziproken Absoluttemperatur ist, kann hieraus eine zulässige Lagertemperatur für eine vorgegeben Lagerzeit ermittelt werden. 2.7 Spontane Zersetzungsfähigkeit, SZF Ein Stoff gilt als spontan zersetzungsfähig, wenn er sich nach lokaler Einwirkung einer hinreichend starken Zündquelle auch ohne Anwesenheit von (Luft-)Sauerstoff mit fortschreitender Reaktionszone vollständig zersetzt [2] ml der Prüfsubstanz werden in einer Kristallisierschale in einen Witt'schen Topf (V ca. 1 l) gestellt und mit dem glühenden, fest eingebauten Platindraht entzündet (Bild 7). Wenn die Probe brennt, wird der Topf evakuiert. Reagiert das Produkt auch im Vakuum weiter, liegt spontane Zersetzung vor. Die Prüfung wird wiederholt, indem die Zündung erst nach Evakuieren des Gefässes erfolgt. Reagiert das Produkt im Vakuum, so dass Bild 7. Test auf spontane Zersetzung [1,2] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 11

12 eine sich fortpflanzende Zersetzungsreaktion entsteht, liegt spontane Zersetzung vor. Die Prüfung erfolgt bei Raumtemperatur (20 C) und erhöhter Produkttemperatur (z.b.100 C). Eine spontane Zersetzung kann zum Beispiel durch einen erhitzten Fremdkörper ausgelöst werden. Sie kann sich aber auch aus einem lokal ausgelösten Brand ergeben, in denn der Brand wegen ungenügenden Luftzutritts in eine spontane Zersetzung übergeht. Eine spontane Zersetzung kann weder durch Inertisierung verhindert noch durch Ersticken unterbrochen werden. Da bei einer spontanen Zersetzung grosse Mengen an Zersetzungsgasen in kurzer Zeit auftreten können, kann die Gefahr eines Druckaufbaus bestehen, der zum Aufreissen oder gar Bersten der Apparatur führen kann. Aus diesem Grund sind Produkte, die sich spontan zersetzen, nur in kleinen Portionen batchweise zu verarbeiten, wobei zu beachten ist, dass die Verwellzeit so gering wie möglich und die Temperatur so niedrig wie möglich gehalten werden. Eine Laborapparatur, die eine genaue Untersuchung der spontanen Zersetzung erlaubt, ist zur Zeit in Entwicklung. 2.8 Schlagempfindlichkeit Es wird geprüft, ob in einer Probe durch Schlag eine Zersetzungsreaktion oder Explosion eingeleitet werden kann. Diese Prüfung entspricht nicht der Prüfung nach dem Sprengstoffgesetz. Die zu untersuchende Probe wird in einer Stempelvorrichtung eingeschlossen, die aus zwei koaxial übereinanderstehende Stahlzylinder und einem Hohlzylinder aus Stahl als Führungsring besteht. Diese Stempelvorrichtung, die eine bestimmte Probemenge enthalten muss, wird auf einen Amboss der Einwirkung verschiedener Fallgewichte ausgesetzt (Bild 8). Es werden je nach Testmethode sechs oder zehn Versuche durchgeführt. Tritt bei der Prüfung eine Reaktion (Rauch, Feuer, Funken) ein, so ist die Probe als schlagempfindlich zu bewerten. Wird aber eine Detonation (Knall) wahrgenommen, dann hat das Produkt Sprengstoffcharakter und sollte z.b. nicht trocken gemahlen werden. In diesem Fall sind weitergehende Untersuchungen erforderlich [2]. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 12

13 Bild 8. Apparatur zur Bestimmung der Schlagempfindlichkeit [1,2] 2.9 Reibempfindlichkeit Die Prüfung auf Reibempfindlichkeit erfolgt mit einer von der BAM entwickelten Apparatur (Bild 9). Bei dieser Apparatur handelt es sich im wesentlichen um eine festeingespannte, feingerillte Porzellanplatte (25x25x5 mm) und einem gewichtsbelasteten Porzellanstift ( 10 mm). Das zu prüfende getrocknete Produkt (ca. 10 mm 3 ) wird zwischen Porzellanplatte und Porzellanstift eingebracht und unter festgelegten Bedingungen durch Verschieben der Porzellanplatte gerieben. Die Plattengeschwindigkeit beträgt maximal 7 cm s -1. Dabei wird die Intensität der Reibbeanspruchung durch Ändern der Stiftbelastung variiert. Die Kriterien für die Beurteilung sind: Keine Reaktion, teilweise Reaktion, Entflammung, Knistern oder Knallen. Wird Entflammung, Knistern oder Knallen bei einer Stiftbelastung 360 N (ca. 36 kg) festgestellt, so gilt das Produkt als reibempfindlich und wird als explosionsgefährlich beurteilt. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 13

14 Bild 9. Apparatur zur Bestimmung der Reibempfindlichkeit [2] 3 AUFGEWIRBELTER STAUB Die Untersuchungen über das Explosionsverhalten von Brennstoffen (brennbare Stäube, Brenngase, Lösemitteldämpfe) müssen nach international anerkannten Prüfverfahren durchgeführt werden. Weltweit gilt der 1-m 3 -Behälter (Bild 10, links), von dem etwa ein Dutzend vorhanden sind. Das Prüfverfahren, dass in dieser Testapparatur angewandt wird, ist international standardisiert [6-8]. in den letzten Jahren hat sich die handlichere 20-l-Laborapparatur immer mehr als Standardapparatur durchgesetzt (Bild 10, rechts) [2,9]. Zur Zeit sind weltweit über 70 Stück im Einsatz. Bild m 3 -Behälter (links) und 20-l-Apparatur (rechts) für die Bestimmung von sicherheitstechnischen Kenngrössen von Brennstoffen [2] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 14

15 In Raummitte der Prüfapparatur angeordnete Zündquellen [2,6-9] werden angewendet für: Brennbare Stäube: Chemische Zünder mit einer Gesamtenergie von E = 10 kj Brenngase und Lösungsmitteldämpfe: Induktionsdauerfunkenstrecke oder Kondensatorentladungsfunke mit einem Energieinhalt von ca. E = 10 J. Mit einer der beiden Apparaturen ist es möglich - unter Beibehaltung des vorgeschrieben, standardisierten Prüfverfahrens - die erforderlichen sicherheitstechnischen Kenngrössen von Brennstoffen zu bestimmen, die im folgenden kurz beschrieben werden. 3.1 Maximaler Explosionsüberdruck p max und maximaler zeitlicher Druckanstieg (dp/dt) max, Explosionsgrenzen EG Die maximalen Explosionskenngrössen der Brennstoffe: maximaler Explosionsüberdruck p max und maximaler zeitlicher Druckanstieg (dp/dt) max werden aus systematischen Versuchen über einen breiten Konzentrationsbereich bestimmt. Sie treten bei optimalen Staubkonzentrationen auf, die im allgemeinen für beide Explosionskenngrössen unterschiedlich sind (Bild 11). Bild 11. Bestimmung der unteren Explosionsgrenze UEG und der maximalen Explosionskenngrössen (p max, (dp/dt) max ) brennbarer Stäube Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 15

16 Die Versuchssystematik erlaubt es, auch die obere Explosionsgrenze OEG zu bestimmen, wobei im Zusammenhang mit den brennbaren Stäuben im allgemeinen nur die UEG von Interesse ist [2,10,11]. Zu ihrer Bestimmung befindet sich im allgemeinen das Gemisch der Brenngase und brennbaren Dämpfe im ruhenden Zustand, während im Zusammenhang mit den brennbaren Stäuben eine standardisierte mittlere Gemischturbulenz vorgegeben ist [2,6-9]. Der maximaler Explosionsüberdruck p max aller Brennstoffe ist in geschlossenen, der Kugelform angenäherten Behältern von hinreichender Grösse (V > 1 l für Brenngase und Lösungsmitteldämpfe; V 20 l für brennbare Stäube) unabhängig vom Volumen. Der maximale zeitliche Druckanstieg (dp/dt) max dagegen ist volumenabhängig. Mit steigendem Volumen nimmt der (dp/dt) max nach dem «Kubischen Gesetz» ab (Bild 12): V 1/3 (dp/dt) max = K St/G [m bar s -1 ] wobei der K St/G eine staub- bzw. gas- und prüfverfahrenstechnische maximale Explosionskonstante ist und zahlenmässig gleich dem Wert für den maximalen zeitlichen Druckanstieg im 1-m 3 -Standardbehälter entspricht. Bild 12. Einfluss des Behältervolumens auf die Explosionskenngrössen brennbarer Stäube Diese maximale Explosionskonstante ermöglicht es, für ein vorgegebenes Volumen V den zu erwartenden maximalen zeitlichen Druckanstieg zu berechnen. Tabelle 1 können die Explosionsgrenzen und -kenngrössen für eine Reihe von Brennstoffen entnommen werden. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 16

17 Tabelle 1: Explosionsgrenzen und Explosionskenngrössen von Brennstoffen Die Vielzahl der in der Praxis produzierten und verarbeiteten Stäube lässt es sinnvoll erscheinen, diese maximale Explosionskonstante in Staubexplosionsklassen einzuordnen und sie für die Dimensionierung der konstruktiven Schutzmassnahmen zu Grunde zu legen (Tab. 2). Tabelle 2: Zusammenhang zwischen K St und Staubexplosionsklasse St 3.2 Mindestzündenergie, MZE Die MZE eines Brennstoffes ist der niedrigste Wert der in einem Kondensatorapparat gespeicherten elektrischen Energie, die unter Variation der Parameter des Entladekreises bei der Entladung gerade ausreicht, das zündwilligste Brennstoff-Luft-Gemisch bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur zu entzünden [13-15]. Zu ihrer Bestimmung befindet sich das Gemisch der Brenngase und brennbaren Dämpfe im ruhenden Zustand, während im Zusammenhang mit den brennbaren Stäuben eine möglichst geringe Gemischturbulenz anzustreben ist. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 17

18 Als Prüfeinrichtung eignen sich speziell für die Stäube die modifizierte Hartmann-Apparatur (Bild 13) und für jeden Brennstoff geschlossene Apparaturen wie z.b. die 20-l-Apparatur (Bild 10, rechts). Als Zündquelle dient die Funkenentladung eines Hochspannungskondensators über eine Funkenstrecke. Bild 13. Apparatur zur Bestimmung der Mindestzündenergie MZE von Stäuben Hinsichtlich der MZE werden zwei Werte mitgeteilt, die aus den Parametern des Entladungskreises ermittelt werden. Zum einen wird die höchste Energie angegeben, bei der in mindestens zehn Versuchen noch keine Entzündung erfolgte. Zum anderen wird der niedrigste Energiewert angegeben, bei dem noch Entzündung erfolgte. Im allgemeinen werden Stäube mit einer MZE zwischen 10 und 1000 mj als «normal entzündlich» und mit einer MZE unter 10 mj als «leicht entzündlich» angesehen. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, gibt es auch Stäube die ähnlich zündfreudig sind wie die als normal entzündlich anzusehenden Brenngase (z.b. Methan, Propan). Bei den «leicht entzündlichen» Stäuben ist besonders sorgfältig zu prüfen, ob Entladungen statischer Elektrizität eine Entzündung auslösen können. Die nach Vorschrift gemessene Mindestzündenergie brennbarer Stäube bezieht sich auf eine Induktivität im Entladekreis [11, 14,15] d. h. auf zündwirksamere Entladungen als sie in der lndustriepraxis im allgemeinen vorkommen. So ist es für die Beurteilung Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 18

19 der Zündwirksamkeit elektrostatischer Entladungen die Mindestzündenergie MZE bei kapazitiver Entladungen ohne Induktivität im Entladungskreis heranzuziehen (Bild 14). Tabelle 3: Mindestzündenergie MZE von Brennstoffen Bild 14. Einfluss der Induktivität L im Entladekreis auf die Mindestzündenergie MZE brennbarer Stäube Wie man erkennt, kann bei Nichtvorhandensein einer Induktivität im Entladekreis die MZE um mindestens eine Zehnerpotenz höher sein, kann aber für eine Anzahl von Produkten auch unabhängig davon sein, ob die Kondensatorentladung zeitlich gedehnt (mit L) oder rein kapazitiv ist (ohne L). Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 19

20 3.3 Mindestzündtemperatur, MZT Die Mindestzündtemperatur MZT ist definiert als die niedrigste Temperatur einer erhitzten Fläche, an der das zündwilligste Gemisch eines Staubes mit Luft gerade noch zur Entzündung kommt. Sie gibt Auskunft über das Zündverhalten eines aufgewirbelten Staubes beim kurzzeitigen Vorbeistreichen an einer heissen Oberfläche wie z.b. Zerstäubungs- und Wirbelschichttrockner. Bild 15. BAM-Ofen für die Bestimmung der Mindestzündtemperatur MZT [1,2] Bild 16. Godbert-Greenwald-Ofen für die Bestimmung der Mindestzündtemperatur MZT [2,16] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 20

21 Die Ermittlung der MZT kann entweder in dem BAM-Ofen (Bundesanstalt für Materialprüfung) [2] oder im Ofen nach Godbert-Greenwald [16] erfolgen, wobei der BAM-Ofen etwas niedrigere Temperaturen liefern kann. Im BAM-Ofen werden auch Schwelgase miterfasst (Bild 15-16). Bei sinkender Ofentemperatur wird die Prüfung mit frischen Proben in absteigenden Temperaturintervallen von jeweils 10 K so lange wiederholt, bis innerhalb von 5 s nach Einblasen des Staubes bei mindestens drei Versuchen keine Entzündung (Flammenerscheinung, Knall) mehr erfolgt. Besondere Bedeutung erlangen die Mindestzündtemperaturen der Stäube dadurch, dass in Betriebsstätten, die durch Staub explosionsgefährdet sind, nur solche Betriebsmittel verwendet werden dürfen, deren Oberflächentemperaturen im Dauerbetrieb höchstens 2/3 der MZT beträgt. Für den Vergleich der im BAM-Ofen gemessenen Temperaturwerte mit denen des Godbert-Greenwald-Ofen können die in [14,15] angegeben Umrechnungen herangezogen werden. 3.4 Sauerstoff-Grenzkonzentration, SGK Die SGK ist die experimentell ermittelte maximale Sauerstoff-Grenzkonzentration, bei der in einem Brennstoff-Luft-Inertgas- Gemisch gerade keine Explosion mehr möglich ist. Sie ist eine stoff- und inertgasspezifische Kenngrösse. Die Bestimmung der SGK erfolgt über einen breiten Konzentrationsbereich (Bild 17) bei systematisch sich veränderndem Sauerstoffgehalt im Inertgas in den in Bild 10 gezeigten Prüfapparaturen [2,9,10]. Die Inertisierung erfolgt im allgemeinen mit Stickstoff. Bei Kenntnis der nach Vorschrift mit einer Induktivität im Entladekreis gemessenen Mindestzündenergie MZE [J] und der im BAM-Ofen gemessenen Mindestzündtemperatur MZT [ C] eines Bild 17. Einfluss des Sauerstoffgehaltes in Stickstoff auf die Explosionskenngrössen Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 21

22 brennbaren Staubes, kann die SGK auch nach der in Bild 18 dargestellten Graphik mit ausreichender Genauigkeit abgeschätzt werden. Aus der experimentell ermittelten SGK ergibt sich durch Einbeziehen einer Sicherheitsspanne die höchstzulässige Sauerstoffkonzentration HSK. Die Kenntnis dieser Kenngrösse ist überall dort notwendig, wo in der Praxis die vorbeugende Schutzmassnahme Inertisierung angewendet wird. 3.5 Hybride Gemische Bei der Herstellung oder Verarbeitung von lösungsmittelhaltigen Produkten oder durch Schwelgasaustritt aus überhitzten Bild 19. Untere Explosionsgrenze UEG von hybriden Gemischen aus brennbaren Stäuben mit Propan Bild 18. Sauerstoff Grenzkonzentration SGK als Funktion des Produktes aus Mindestzündenergie MZE und Mindestzündtemperatur MZT staubförmigen Produkten können gleichzeitig brennbarer Staub und Brenngas bzw. brennbarer Dampf in der Verbrennungsluft vorkommen. Es handelt sich hierbei um Gemische von zweierlei Herkunft, und man spricht in diesem Zusammenhang von «hybriden Gemischen» [2]. Wie aus Bild 19 ersichtlich zeichnet sich ab, dass nicht explosionsfähige Staub/Luft-Gemische und nicht explosionsfähige Brenngas- (Lösungsmitteldampf)-Luft-Gemische (Propan- Luft-Gemische) explosionsfähige hybride Gemische bilden können. Durch Brenngaszusatz (Propanzusatz) zur Verbrennungsatmosphäre wird der Pmax nur Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 22

23 unwesentlich verändert. Die Explosionskonstante K St des brennbaren Staubes unterliegt dagegen einem starken Einfluss (Bild 20). Sie wird mit zunehmendem Propangehalt linear angehoben und fällt erst nach überschreiten der optimalen Brenngas(Propan)-Konzentration. Die Explosionskonstanten aller untersuchten Stäube liegen im Bereich der Explosionskonstante des zugemischten, im turbulenten Zustand entzündeten Propan. Bild 21 zeigt den Einfluss, den ein zusätzlich in der Verbrennungsluft vorhandener Propangehalt auf die MZE der hybriden Gemische Bild 20. Einfluss des Propangehaltes auf die Explosionskenngrössen brennbarer Stäube von Stäuben nimmt. Es zeigt sich, dass die MZE des Staubes selbst das Zündverhalten seiner hybriden Gemische bestimmt, wobei ein linearer Zusammenhang mit der Brenngasmenge besteht. Bei Kenntnis der MZE des brennbaren Staubes und des zusätzlich vorhandenen Brenngases und dessen zündwilligster Konzentration bietet sich eine einfache Möglichkeit, das Zündverhalten der hybriden Gemische zu beschreiben. Im Falle der SGK bewegen sich diese in Richtung auf das zusätzlich vorhandene Propan, um sich dann, bei höheren Brenngaskonzentrationen, von dieser wieder zu entfernen (Bild 22). Bild 21. Mindestzündenergie MZE hybrider Gemische Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 23

24 Der Propanwert (Brenngaswert) wird um so eher erreicht, je niedriger die SGK des brennbaren Staubes ist. Diese Feststellung gilt ganz allgemein sowohl für das Vorhandensein von beliebigen brennbaren Stäuben als auch von beliebigen Brenngasen [2]. Die Sauerstoff- Grenzkonzentration SGK des hybriden Gemisches wird also bestimmt durch den Brennstoff mit dem niedrigsten Grenzwert. 3.6 Normspaltweite MESG Die experimentell ermittelte sichere Spalt- Bild 22. Sauerstoff-Grenzkonzentration SGK hybrider Gemische aus brennbaren Stäuben als Funktion der Brenngaskonzentratioweite, Normspaltweite MESG (maximum experimental safe gap) brennbarer Gase und Dämpfe wird mit einer konstanten Spaltlänge I s - 25 mm unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen (1 bar,abs., 20 C) bestimmt und ist die grösstmögliche Weite eines Spaltes, durch den - bei Variation der Gemischkonzentration - ein Flammendurchschlag (Zünddurchschlag) gerade nicht mehr möglich ist. Die MESG gestattet brennbare Gase und Dämpfe nach ihrem Flammendurchschlagvermögen in Explosionsklassen (bzw. Explosionsgruppen) einzuteilen. Bild 23. Schematische Darstellung einer Apparatur zur Untersuchung des Zünddurchschlages von Staub-Luft- Gemischen durch ebene Spalte [17] Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 24

25 Beim Zünddurchschlag von Staub-Luft-Gemischen durch ebene parallel verlaufende Spalte (Bild 23) handelt es sich, experimentell nachgewiesen [17], um ein Problem der Wiederentzündung des den Spalt umgebenden Aussengemisches durch die aus dem Spalt austretenden heissen Verbrennungsgase. Voraussetzung ist, dass man sich unterhalb des sogenannten Löschabstandes [2,17] befindet. Ob es zu einem Zünddurchschlag durch einen Spalt mit der Spaltweite w und der Spaltlänge I kommt, hängt vor allem von der Temperatur der Verbrennungsgase und ihrer Einwirkdauer im Aussenraum ab [17]. Bestimmt man nun die MESG bei der vorgegebenen Spaltlänge I s = 25 mm für die Brenngase und die brennbaren Stäube so ergibt sich der in Bild 24 dargestellte Zusammenhang Bild 24. Normspaltweite MESG von Brenngasen und brennbaren Stäuben als Funktion des Produktes aus Mindestzündenergie MZE und reduzierter Temperatur - Spaltlänge I s = 25 mm - Schuber [17] fand, unabhängig von der Art des Brennstoffes, den in Bild 24 gezeigten Zusammenhang zwischen den Normspaltweite MESG von Brenngasen und brennbarer Stäube und dem Produkt aus Mindestzündenergie und reduzierter Temperatur {(MTZ+273)/273}, für den gilt: TZ MSEG = 1.01 MZE 273 [mm] Das Zünddurchschlagverhalten brennbarer Stäube durch ebene Spalte hängt also ab von der nach Vorschrift gemessenen Mindestzündenergie MZE und der im BAM-Ofen Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 25

26 bestimmten Mindestzündtemperatur MZT. Stimmen beide Kenngrössen für einen brennbaren Staub und ein Brenngas überein, dann ist die Grenzspaltweite bzw. MESG (maximum experimental safe gap), bei der eben keine Explosionsübertragung in das Aussengemisch erfolgt, unabhängig von der Brennstoffart. 4 BRENNBARE FLÜSSIGKEITEN UND GASE 4.1 Flammpunkt, FP für Flüssigkeiten Der Flammpunkt ist eine wichtige sicherheitstechnische Kenngrösse brennbarer Flüssigkeiten. Er ist die niedrigste Temperatur - bezogen auf einen Druck von 1013 mbar - bei der sich unter definierten Bedingungen aus der zu prüfenden Flüssigkeit Dämpfe in solcher Menge entwickeln, dass sich ein durch Fremdzündung entflammbares Dampf- Luft-Gemisch bildet. Wegen der Vielfalt der Bestimmungsmethoden und der Abhängigkeit des gefundenen Flammpunktes von der angewendeten Methode, ist es notwendig, bei jeder FP Angabe die Prüfmethode, nach der bestimmt wurde, anzugeben. Bild 25 zeigt beispielhaft die FP-Bestimmung nach Abel-Pensky. Bild 25. Flammpunktprüfapparatur nach Abel-Pensky Beispielsweise werden nach der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten (VbF), brennbare Flüssigkeiten gemäss folgender Tabelle 4 in Gefahrenklassen eingeteilt. Der Flammpunkt erlaubt die Beurteilung der Explosionsgefahr. Liegt z.b. die maximale Verarbeitungstemperatur über oder dicht unter (bis etwa 5 C) dem Flammpunkt der Flüssigkeit, so können explosionsfähige Dampf-Luft-Gemische entstehen. Liegt die Temperatur ausreichend weit ( in der Regel mehr als 5 C) unter dem Flammpunkt, so ist nur bei Verteilung in feinen Teilchen, z.b. durch Versprühen, mit explosionsfähiger Atmosphäre zu rechnen. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 26

27 Tabelle 4: Gefahrenklassen von brennbaren Flüssigkeiten 4.2 Brennbare Flüssigkeiten Die Bestimmung der Mindestzündtemperatur von brennbaren Flüssigkeiten erfolgt in einer standardisierten Erlenmeyer-Kolben-Apparatur (Bild 26). Durch systematische Änderung der in dem Kolben eingebrachten Flüssigkeitsmenge und der Temperatur wird durch visuelle Beobachtung die MZT gemessen [2,18]. Der Messwert gibt Auskunft über die Entzündlichkeit von Lösungsmitteldämpfen bei Wärmeeinwirkung durch heisse Oberflächen. Bild 26. Bestimmung der Zündtemperatur für brennbare Flüssigkeiten nach DIN Zur Vereinfachung (insbesondere für die Auswahl elektrischer Betriebsmittel) werden die minimalen Zündtemperaturen in Temperaturklassen eingeteilt (Tabelle 5). Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 27

28 Tabelle 5: Zusammenhang zwischen Zündtemperaturen und Temperaturklassen für Stoffe der Gruppe II 4.3 Explosionsgruppe Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche werden nach DIN EN / VDE 0170/0171 eingeteilt in Gruppe l Elektrische Betriebsmittel für schlagwettergefährdete Grubenbauten Gruppe II Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Grubenbauten Ferner werden nach DIN / VDE 0165 für die Gruppe II die brennbare Gase und Dämpfe sowohl in Abhängigkeit von der Normspaltweite MESG als auch in Abhängigkeit von dem Mindestzündstrom-Verhältnis (auch MIC = minimum ignition current ratio) in folgende Explosionsgruppen unterteilt (Tabelle 6): Tabelle 6: Explosionsgruppe (EN) / Unterteilung (EN) 4.4 Explosionsgrenzen EG Brennbare Gase oder Dämpfe im Gemisch mit Luft sind nur innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereiches - zwischen der unteren Explosionsgrenze UEG und der oberen Explosionsgrenze OEG - explosionsfähig. Unterhalb der UEG fehlt es an Brennstoff, oberhalb der OEG ist zu wenig Sauerstoff im Gemisch vorhanden. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 28

29 Liegen explosionsfähige Brennstoffgemische mit Luft unter atmosphärischen Bedingungen vor (Gesamtdruck von 0.8 bis 1.1 bar; Temperatur von -20 C bis +60 C), so bezeichnet man sie als explosionsfähige Atmosphäre. Bei brennbaren Flüssigkeiten können Explosionsgefahren dadurch entstehen, dass Dämpfe der Flüssigkeiten sich mit Luft vermischen. Ist mit ausreichender Sicherheit die Konzentration der brennbaren Stoffe kleiner als die untere Explosionsgrenze UEG, liegt also ein zu mageres Gemisch vor, so herrschen keine Explosionsgefahren. Die Zusammensetzung der Gasphase über der Flüssigkeit wird von der Oberflächentemperatur der Flüssigkeit bestimmt. Wie Bild 27 für das Beispiel Ethylalkohol zeigt, ist der Dampfdruck dieser Flüssigkeit unterhalb einer Temperatur von 11 C so gering und damit der Gehalt an Ethylalkoholdampf in der Gasphase unmittelbar über der Flüssigkeit so niedrig -, dass die UEG unterschritten ist. Unterhalb dieser UEG ist das Gemisch weder explosibel noch abbrennbar. Ist dagegen in einem Bereich die Konzentration grösser als die obere Explosionsgrenze OEG, so handelt es sich also um ein zu fettes Gemisch. Das Gemisch ist nicht entzündbar, weil es zu wenig Sauerstoff enthält. Oberhalb einer Temperatur von 37 C ist die Konzentration an Ethylalkoholdampf in einem geschlossenen Gasraum über der Flüssigkeit dagegen so gross, um ohne weitere Luftzufuhr verbrennen zu können. Diese beiden Temperaturen heissen unterer und oberer Explosionspunkt. Sie sind über die Dampfdruckkurve mit der untere und oberen Explosionsgrenze verknüpft. Bild 27. Einfluss der Temperatur T auf die Dampfdruckkurve und Explosionsgrenzen von Ethylalkohol- Dampf 5 ELEKTROSTATIK Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 29

30 Berühren sich zwei zuvor ungeladene Stoffe, kommt es im Bereich ihrer gemeinsamen Grenzfläche in der Regel zu einem Ladungsübertritt. Diese Aufladungsvorgänge können bei der Verarbeitung von Stoffen (Zerstäuben, Zerkleinern, etc.) als auch beim Transport (pneumatisch, etc.) auftreten. Die Aufladung hängt von der Leitfähigkeit und der Trenngeschwindigkeit der beiden Stoffe ab, jedoch kann bereits während der Ladungstrennung in Abhängigkeit von Leitfähigkeit und Trenngeschwindigkeit ein Ladungsausgleich stattfinden [20]. Ist jedoch mindestens einer dieser Stoffe aufladbar, so ist mit gefährlichen Aufladungen zu rechnen. Sind beide Stoffe hinsichtlich der Aufladbarkeit ausreichend leitfähig, ist der Ladungsüberschuss akzeptabel. Zur Beurteilung der gefährlichen Aufladbarkeit flüssiger oder fester Stoffe können der spezifische Widerstand, der Oberflächenwiderstand oder der Ableitwiderstand herangezogen werden. 5.1 Oberflächenwiderstand R o Der Oberflächenwiderstand R o gibt Aufschluss über die elektrischen Widerstände an der Oberfläche von Werkstoffen und Produkten. Er ist definiert als der Widerstand zwischen zwei im festgelegten Abstand auf die Oberfläche aufgebrachten Elektroden bestimmter Abmessungen Je nach Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie der zu untersuchenden Proben sind nach DIN / VDE 0303 Teil 3 [21] entsprechend geeignete Messelektroden (Bild 28) einzusetzen. Bild 28: Messanordnung Oberflächenwiderstand Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 30

31 Ist der Oberflächenwiderstand von festen Stoffen - gemessen im Normalklima (23 C / 50% rel. Feuchte) kleiner oder gleich 10 9 Ω, so sind gefährliche Aufladungen nicht zu erwarten. 5.2 Elektrische Leitfähigkeit Das Messverfahren nach DIN Teil 1 und Teil 2 [22] dient zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Mineralölerzeugnissen und anderen organischen Flüssigkeiten. Die Kenntnis der Leitfähigkeit ist sicherheitstechnisch von Bedeutung um eine Aussage über die Aufladbarkeit einer Flüssigkeit zu machen. Ist die Leitfähigkeit einer Flüssigkeit größer als 10-8 S/m, sind gefährliche Aufladungen nicht zu erwarten (Bild 29). Bild 29: Messanordnung für die elektrische Leitfähigkeit 5.3 Durchgangswiderstand R D Der Durchgangswiderstand R D ist der elektrische Widerstand des Werkstoffinneren, gemessen an einer Probe zwischen zwei Elektroden, wobei durch die Art der Elektrodenanordnung der Oberflächenwiderstand unberücksichtigt bleibt (Bild 30). Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 31

32 Bild 30. Messanordnung zur Bestimmung des Durchgangswiderstand 5.4 Erdableitwiderstand Der Ableitwiderstand eines Gegenstandes ist der elektrische Widerstand, der zwischen einer an den Gegenstand angelegten Elektrode und Erde gemessen wird. Die Messung erfolgt in Anlehnung an DIN [23]. Der dabei gemessene Widerstandswert wird zur Beurteilung und Einstufung von Verpackungsmaterialien auf Ihre Ableitfähigkeit zugrundegelegt [24]. Verpackungsmaterialien, deren Erdableitwiderstand von jedem Punkt zur Erde < 10 8 Ω beträgt, können zum Befüllen und Entleeren von staubexplosionsfähigem Schüttgut in den Exzonen 2 oder 1 verwendet werden [25]. 6 EINFLUSSNEHMENDE PARAMETER 6.1 Abgelagerter Staub Brennverhalten Die Temperatur eines Produktes kann einen Einfluss auf die Brennbarkeit und somit auf die Brennzahl auf einige Stäube ausüben (Tabelle 7). Oft werden dabei wesentliche Unterschiede im Brennverhalten beobachtet [2]. Deshalb ist zu empfehlen, z.b. bei Trocknungsprozessen die Brennbarkeit auch bei erhöhter Prüftemperatur durchzuführen, sofern nicht schon bei Raumtemperatur eine Brennzahl 6 festgestellt wird. Tabelle 7: Beispiele unterschiedlicher Brennzahlen bei 20 C und 100 C Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 32

33 6.1.2 Selbstentzündungstemperatur Die Selbstentzündungstemperatur eines Produktes wird nicht nur von der Staubart (z.b. Partikelgrösse, Produktfeuchte usw.) sondern auch vom Prüfvolumen wesentlich beeinflusst (Bild 31). Mit zunehmendem Volumen (Prüfvolumen) setzt die Selbstentzündungstemperatur bei niedrigerer Temperaturen ein [2]. Bild 31. Selbstentzündungstemperaturen zylindrischer Staubschüttungen in Abhängigkeit von der Staubmenge bzw. Volumen Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 33

34 6.2 Aufgewirbelter Staub Sicherheitstechnische Kenngrössen Staubverteilung, Medianwert Bild 32. Einfluss des Medianwertes M auf die Explosionskenngrössen brennbarer Stäube Der Medianwert M, (50-% Wert der Summenverteilungskurve) eines Staubes beeinflusst die Explosionskenngrössen wesentlich wie Bild 32 beispielhaft zeigt. Feine Stäube reagieren heftiger als grobe, wobei sich der Medianwert besonders auf die Explosionskonstante K St und weniger auf den p max auswirkt. Die Korngrösse bzw. der Medianwert M hat auch einen nennenswerten Einfluss auf MZE brennbarer Stäube (Bild 33). Je feiner ein Staub ist, um so leichter lässt er sich entzünden. Modellrechnungen haben ergeben, dass Stäube mit einer Kugelform und einem gleichen Korndurchmesser die MZE mit der 3. Potenz des Korndurchmessers ansteigt [19]. Da die Grösse der Staubteilchen in ein und Bild 33. Einfluss des Medianwertes M auf die Mindestzündenergie MZE brennbarer Stäube Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 34

35 demselben Gemisch im allgemeinen sehr verschieden ist und eine Kugelform der Staubpartikel selten vorliegt, ist diese Modellrechnung nur bedingt anwendbar. Eine Abschätzung der MZE proportional zur 2.5-ten Potenz der Medianwerte ist konservativer und gibt in der Praxis auch eine bessere Übereinstimmung [14]. Um das Zündverhalten eines brennbaren Staubes zu charakterisieren, ist es daher notwendig, seinen Feinstaub zu prüfen Produktfeuchte (Wasserfeuchte) Häufig wird die Meinung vertreten, dass wasserhaltige Produkte mit einem Feuchtegehalt von einigen Prozenten keine explosionsfähigen Gemische mehr bilden könne. Bild 34 widerlegt diese Annahme, wobei sich andeutet, dass eine Produktfeuchte von mindestens 50% erforderlich ist, damit keine Explosionen mehr zu befürchten sind. Viele Produkte mit einem Wassergehalt von mehr als 10% lassen sich schlechter dispergieren (aufwirbeln), wodurch die Gefahr der Bildung explosionsfähiger Staub/Luft-Gemische aus abgelagertem Staub abnimmt. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 35

36 Bild 34. Einfluss der Produktfeuchte (Wasserfeuchte) auf die Explosionskenngrössen Bild 35 zeigt den Einfluss, den die Wasserfeuchte auf die Mindestzündenergie - gemessen in der modifizierten Hartmann-Apparatur - nimmt. Bis zu einer Wasserfeuchte von ca. 10% nimmt die MZE systematisch zu um dann oberhalb den 10% deutlich anzusteigen. Die MZE muss daher mit auf Gewichtskonstanz getrockneten Produkten bestimmt werden. Bild 35. Einfluss der Produktfeuchte (Wasserfeuchte) auf die Mindestzündenergie MZE Temperatur Da in der Industriepraxis brennbare Stäube häufig bei überhöhten Temperaturen hergestellt, verarbeitet und gefördert werden, ist es für ihre sicherheitstechnische Beurteilung erforderlich, die Temperaturabhängigkeit der Explosionskenngrössen zu kennen. Bild 36 zeigt diese Temperaturabhängigkeit an unterschiedlichen Brennstoffen, wenn die Explosionen bei Normaldruck eingeleitet werden. Die Temperaturerhöhung führt also, ähnlich wie bei denn Brenngasen, zu einer linearen Abnahme des maximalen Explosionsüberdruckes p max mit dem Reziprokwert der Temperatur. Dies gilt auch dann, wenn der Initialdruck p i verändert wird. Der Einfluss auf den K St ist dagegen bis zu Temperaturen von 350 C aufgrund der Erfahrung als unwesentlich anzusehen [2]. Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 36

37 Bild 36. Einfluss der Temperatur T auf die Explosionskenngrössen p max und K St Die untere Explosionsgrenze UEG brennbarer Stäube fällt linear mit steigender Temperatur (Bild 37). Der Temperatureinfluss mit einer auf Raumtemperatur bezogenen hohen unteren Explosionsgrenze bewirkt eine stärkere Herabsetzung der UEG als bei solchen mit einer niedrigen unteren Explosionsgrenze. Bild 37. Einfluss der Temperatur T auf die untere Explosionsgrenze UEG Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 37

38 Bild 38 zeigt, dass mit steigender Temperatur die MZE der bei Raumtemperatur gemessenen schwer entzündlichen Stäube (hohe MZE) deutlich stärker beeinflusst ist, als diejenige der ohnehin leicht entzündlichen Stäube (MZE niedrig). Die in Bild 38 dargestellten Geraden treffen sich in einem Punkt, der durch die Koordinaten (1 000 C; mj) gekennzeichnet ist. Dies ist eine einfache Methode, um die MZE eines Produktes in einem Temperaturbereich von C abzuschätzen. Die SGK sinkt mit zunehmender Arbeitstemperatur [2], wie Bild 39 anhand 3 willkürlich ausgewählter Stäube zeigt. Es deutet sich eine für alle Stäube lineare und gleiche Abnahme der SGK mit steigender Temperatur an. Wegen des linearen Zusammenhanges beträgt die durchschnittliche Abnahme pro 100 C Temperature rhöhung 1.3 Vol.-%. Bild 38. Einfluss der Temperatur T auf die Mindestzündenergie MZE Initialdruck Bild 39. Einfluss der Temperatur T auf die Sauerstoff- Grenzkonzentration SGK Die Explosionskenngrössen von brennbarem Staub werden auch vom Initialdruck p i beeinflusst. P i ist der Ausgangsdruck, bei dem die Zündquelle wirksam wird. Wie Bild 40 zeigt besteht für alle Brennstoffe eine lineare Abhängigkeit. Zusatzversuche haben ferner gezeigt, dass der p max im Rahmen der Versuchsgenauigkeit proportional zum Initialdruck steigt. Die gilt bis zu p i = 10 bar,abs. lm Falle der maximalen Explosionskonstante K St ist diese Proportionalität nur bis zu p i = 2 bis 3 bar, abs. gegeben. Eine weitere Anhebung führt zu keiner wesentlichen Verstärkung Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 38

39 des K St. Es scheint sich anzudeuten, dass bei einem Grenzdruck von ca. 10 mbar, abs. für alle Brennstoffe keine Explosion mehr möglich ist. Bild 40. Einfluss des Initialdruckes p i Explosionskenngrössen auf die Bild 41. Einfluss des Initialdruckes p i auf die Mindestzündenergie MZE Für einen Initialdruckbereich von p i = bar, abs. ist kein Einfluss des p i auf die Mindestzündenergie festzustellen (Bild 41). Dagegen nimmt die Zündwilligkeit bei Initialdrücken unterhalb p i = 1 bar, abs. ab. Bild 42. Einfluss des Initialdruckes p i auf die Sauerstoff-Grenzkonzentration SGK Uneinheitlich sind die Aussagen, die sich auf den Einfluss des p i, dem Ausgangsdruck für eine Staubexplosion, auf die SGK bei der Inertisierung mit Stickstoff beziehen (Bild 42). Ursache für die uneinheitliche Aussagen könnte sein, dass die Anwendung des Normverfahrens bei unterschiedlichen Initialdrücken Schwierigkeiten bereitet Turbulenz Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 39

40 Von entscheidendem Einfluss auf die Explosionskenngrössen ist die Turbulenz der Staub/Luft-Gemische beim Wirksam werden der Zündquelle (Bild 43). Hiervon ist besonders die maximale Explosionskonstante K St betroffen, die deutlich mit abnehmender Zündverzögerungszeit t v (t v = Mass für die Turbulenz) kontinuierlich zunimmt. Deshalb muss eine konstante Zündverzögerungszeit von t v = 0.6 s (für 1-m 3 ) und t v s (für 0.02-m 3 ) festgelegt werden, die für die Explosionskenngrössen-Bestimmung zwingend einzuhalten ist. Bei dieser Turbulenz ist auch der entsprechende Staubvorratsbehälter praktisch entleert, was eine Angabe der Staubkonzentration beim Wirksamwerden der Zündquelle ermöglicht. Wird die entsprechende Zündverzögerungszeit nicht eingehalten, dann kann auch die Staubkonzentration nicht genau angegeben werden, weil entweder das Staub/Luft- Gemisch noch nicht völlig erstellt (t v < 0.6 s bzw. < 0.06 s) oder bereits dem Prozess der Entmischung bzw. Sedimentation (t v > 0.6 s bzw. > 0.06 s) unterworfen ist. Bild 43. Einfluss der Zündverzögerungszeit t v (Turbulenz)auf die Explosionskenngrössen im 1-m 3 -Behälter Die Mindestzündenergie wird auch stark von der Turbulenz - der Zündverzögerungszeit t v - beeinflusst (Bild 44). Die MZE vermindert sich -abhängig von der Staubart- mehr Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 40

41 oder weniger mit zunehmender Zündverzögerungszeit (abnehmender Turbulenz). Im 1- m 3 -Behälter und in der 0.02-m 3 -Apparaturen ändert sich die MZE nach dem Erreichen einer bestimmten t v nicht mehr. In der modifizierten Apparatur (V=1.2 l) ist dagegen nach langer t v wieder ein Ansteigen der MZE zu beobachten. Niedrigstwerte für die MZE stellen sich also in geschlossenen Behältern bei t v ein, die deutlich über der Prüfzündverzögerungszeiten für die Explosionskenngrössen-Bestimmung liegen (1-m 3 -Behälter t v = 1.2 s, 0.02-m 3 -Behälter = 0.12 s). Bild 44. Einfluss der Zündverzögerungszeit t v (Turbulenz)auf die Mindestzündenergie MZE Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 41

42 7 PRÜFPFLICHT Von jedem Produkt, für das noch kein Prüfbefund vorliegt, ist eine der laufenden Fabrikation entnommene Probe durch ein geeignetes Laboratorium nach den entsprechenden einschlägigen Vorschriften untersuchen zu lassen. Bei erstmals zu verarbeitenden Produkten hat diese Prüfung vor einer durchzuführenden Einheitsoperation mit einer zuverlässigen Durchschnittsprobe der betreffenden Partie zu erfolgen. Soll ein Produkt unter Zusatz anderer Substanzen verarbeitet werden, so ist auch eine entsprechende Mischung zu prüfen, weil die Handhabungssicherheit von Gemischen sich nicht einfach aus den Eigenschaften der Komponenten ableiten lässt. Zur Beurteilung der Sicherheit einer Einheitsoperation müssen, neben dem Gehalt an möglichen Lösemitteln im Produkt, dem Prüflaboratorium auch die üblichen Produkteigenschaften wie Summenformel, Schmelzpunkt, Giftigkeit ect. bekannt sein. Eine Prüfung ist zu wiederholen, wenn eine Änderung der Gefahrensituation vermutet wird, z.b. infolge: Änderung im Fabrikationsverfahren inklusive Aufarbeitung Änderung der Spezifikationen oder Provenienz von Ausgangsmaterialien und Zuschlagstoffen Unregelmässigkeiten in der Fabrikation Produktionsverlagerung Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 42

43 8 LITERATURHINWEISE [1] Richtlinie VDI 2263, Blatt 1: Staubbrände und Staubexplosionen, Gefahrenbeurteilung - Schutzmassnahmen, Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von sicherheitstechnischen Kenngrössen von Stäuben, Beuth-Verlag GmbH, Berlin und Köln, Mai 1990 [2] Bartknecht, VV.: "Explosionsschutz, Grundlagen und Anwendungen", Springer- Verlag, 1993 [3] Richtlinie 84/449/EWG, Amtsblatt für Europäische Gemeinschaften L 251, 27 A. 0, 1984 [4] Bowes, P.C.: Self-heating, evaluating and controlling the hazards. Her Majesty's Stationary Office, London 1984 [5] UN-Recommendations an the Transport of dangerous goods. Chapter 14,3, 1986 [6] ISO/DIS 6184/1: Explosion protection systems - Part 1: Determination of explosion indices of combustible dusts in air, International Organization Standardization, 1985 [7] ISO/DIS 6184/2. Explosion protection systems - Part 2: Determination of explosion indices of combustible gases in air, International Organization Standardization, 1985 [8] ISO/DIS 6184/3: Explosion protection systems - Part 3: Determination of explosion indices of fuellair mixtures other than dustlair and gaslair mixtures, International Organization Standardization, 1985 [9] C.Cesana & R. Siwek : KSEP Measurement and Control System for the 20-l- Apparatus, Kühner AG, CH-4127 Birsfelden, 1991 [10] R. Siwek: Zuverlässige Bestimmung explosionstechnischer Kenngrössen in der 20-l-Laborapparatur, VDI Berichte 701, S , 1988 [11] IEC. Electrical apparatus for use in the presence of ignitable dust. Part 2 Test Methods. Sheet 2-5. Method for determining the minimum explosible concentration of dustlair mixtures, (draft), 1992 [12] Siwek, R.: Explosion Indices, Kühner AG, CH-4127 Birsfelden, 1991 [13] IEC. Electrical apparatus for use in the presence of ignitable dust. Part 2 Test Methods. Sheet 2-4. Method for determining the minimum ignition energy of dustlair mixtures, (draft), 1992 [14] Siwek, R. et al: Ignition Behavior of Dusts, Loss Prevention Symposium, Atlanta, USA, 1994 Dr. PELLMONT Explosionsschutz - 43